Zwischen dem Anbau von Getreide und seinem Verzehr liegt die eigentliche Arbeit von Landwirten, denn das Wachstum der Pflanzen muss ständig überwacht, die Bodenqualität kontrolliert und Schadinsekten müssen ausgeschlossen werden. Dies sind zeit- und kostenintensive Prozesse. Um solche Prozesse zu modernisieren, ist das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM mit der TU Berlin am ZIM-Netzwerk ‚AgriPhotonik‘ beteiligt. Hier sind 29 deutsche und israelische Partner aus Industrie und Forschung zusammengeschlossen, um mit den Potenzialen von Agrartechnik und Photonik digitale Prozesse in der Landwirtschaft zu etablieren.

Üblicherweise werden landwirtschaftliche Lagerräumlichkeiten nach einem Schädlingsbefall mit Hilfe von chemischen Substanzen begast. Die für die Insekten tödlichen Gifte wie Phosphorwasserstoff sind jedoch nur einige Male anwendbar, da sich bei häufigerer Nutzung Rückstände auf den Vorräten bilden, die zu gesundheitlichen Gefährdungen für den Menschen und vor allem zur Umweltbelastung führen.

Um die Nutzung chemischer Schutzmittel zu reduzieren, haben es sich Forschende am Fraunhofer IZM zur Aufgabe gemacht, Lasertechnik und automatisierte Bilderkennung zu vereinen und somit den Vorratsschutz von landwirtschaftlichen Produkten zuverlässig zu gewährleisten. Koordiniert wurde das Projekt vom Berliner Julius-Kühn-Institut.

Lasersystem, um Schadinsekten unschädlich zu machen.

© Fraunhofer IZM

Im Vorläuferprojekt ‚Insektenlaser‘ wurde mit Förderung der Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung und Partnern am Fraunhofer IZM eine Lösung entwickelt, die die landwirtschaftlichen Vorräte vor der Kontamination durch Kornkäfer und Dörrmotten schützt. Die nur knapp 4 mm großen Schädlinge können erhebliche wirtschaftliche Schäden anrichten und Krankheiten übertragen.

Im aktuellen Projekt erkennen die Forschenden den Moment des Befalls, bevor sich die Schädlinge in den Vorräten ausbreiten können. Mittels eines von der BTU Cottbus entwickelten Bildverarbeitungsverfahrens werden die kleinen Schädlinge auf den Oberflächen der Vorräte oder auf Wänden detektiert. Anschließend analysiert und klassifiziert ein KI-System die Insekten und vergleicht sie mit Referenzbildern. Solche Algorithmen zur Bilderkennung sind bereits in unzähligen Anwendungen etabliert. Besonders herausfordernd in diesem Projekt waren jedoch die sehr unterschiedlichen Dimensionen, denn die nur wenige Millimeter kleinen Schädlinge müssen in sehr großen Lagerhallen zuverlässig erkannt werden. Dies musste bei Design und Erstellung des Lasersystems vom Fraunhofer-IZM beachtet werden.
Ist die Position eines Schädlings bekannt, wird per Funk durch einen Scanner ein feiner Laserstrahl auf die betreffenden Koordinaten ausgerichtet, der den Kornkäfer oder die Dörrobstmotte unschädlich macht. Aufgrund der geringen Temperatur und Intensität des Lasers werden die darunter befindlichen Vorräte nicht in Mitleidenschaft gezogen. Durch die Anwendung eines Lasersystems wird der direkte Primärbefall unterbunden, so dass sich vorratsschädliche Insekten gar nicht erst ausbreiten.

Die Forschenden am Fraunhofer IZM in Berlin haben zum einen untersucht, wie unterschiedliche Wellenlängen und Intensitäten des Lichtstrahls das Bewegungsverhalten der Vorratsschädlinge beeinflussen. Dabei stellten sie fest, dass sich Infrarotlicht auf das für die Identifizierung charakteristische Bewegungsverhalten der Tiere am geringsten auswirkt. Zum anderen waren sie maßgeblich an der Entwicklung des Lasersystems beteiligt: Anfänglich stellten sie einen Laboraufbau her. Nach erfolgreichen Tests überführten sie diesen Aufbau in ein kompaktes Insektenlaser-System bestehend aus mehreren Einheiten zur Verwendung in Versuchszellen. Darüber hinaus entwickelten sie die Schnittstellen von Soft- und Hardware zwischen Kamera, Laser und Scanner.